АНАЭРОБНЫЙ МЕМБРАННЫЙ БИОРЕАКТОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОТОКА ОТХОДОВ Российский патент 2015 года по МПК C02F3/28 

2420-190416RU/014

АНАЭРОБНЫЙ МЕМБРАННЫЙ БИОРЕАКТОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОТОКА ОТХОДОВ

Настоящее изобретение относится к анаэробному мембранному биореактору для обработки потоков отходов, содержащих общие биоразлагаемые твердые вещества, включая растворимые и нерастворимые COD.

Настоящее изобретение относится к системе и способу обработки потока отходов, содержащего анаэробно биоразлагаемые твердые вещества. Поток отходов направляют в анаэробный реактор и биоразлагаемые твердые вещества превращают в анаэробную биомассу в анаэробном реакторе для снижения количества биоразлагаемых твердых веществ и получения в процессе биогаза и биомассы. Система и способ расслаивают перемешиваемый раствор в анаэробном реакторе, по меньшей мере, на три различных зоны перемешиваемого раствора. Первая зона, расположенная у дна емкости, включает относительно высокую концентрацию твердых веществ, конкретно, более тяжелых биологических и осажденных твердых веществ; вторая зона над первой зоной, расположенная в середине высоты емкости, включает относительно низкую концентрацию твердых веществ; и третья зона, расположенная около верха емкости, содержит относительно высокую концентрацию биомассы, чем средняя зона, и эти твердые вещества состоят, в основном, из более легких твердых веществ. Перемешиваемый раствор в средней расслоенной зоне перекачивают в аппарат мембранного разделения, при этом аппарат мембранного разделения может являться погружным или внешним, таким как трубчатые, плоские листовые или половолоконные мембраны. Именно внутри мембранного аппарата перемешиваемый раствор разделяют на проникающий поток и на концентратный поток. Расслоение улучшает общую производительность системы. Это приводит к тому, что более высокая концентрация твердых веществ сохраняется в реакторе, подавая при этом менее концентрированный поток в аппарат мембранного разделения. Со временем это улучшает максимально возможные скорости потоков через мембрану на единицу используемой мембранной системой энергии, и предотвращает или снижает засорение и, в свою очередь, продлевает срок службы мембран аппарата мембранного разделения путем минимизации количества циклов очистки на месте (CIP). Концентратный поток рециркулируют в анаэробный реактор для поддержания большего времени удержания твердых веществ (SRT).

В одном варианте осуществления система разделения твердых веществ является интегрированной во всю систему и способ. В этом случае перемешиваемый раствор, включающий твердые вещества, перекачивают из первой нижней зоны в сепаратор твердых веществ, такой как гидроциклон. В гидроциклоне перемешиваемый раствор разделяется на два потока, при этом первый поток содержит относительно высокую концентрацию более тяжелых твердых веществ, включая большую часть осажденных неорганических веществ, и второй поток содержит относительно низкую концентрацию осажденных неорганических твердых веществ и более высокую относительную концентрацию биологических твердых веществ. Поток, содержащий относительно высокую концентрацию биологических твердых веществ, рециркулируют обратно в анаэробный реактор для поддержания большего SRT.

В другом варианте осуществления настоящее изобретение охватывает анаэробный мембранный биореактор, который включает в себя анаэробный реактор, который действует для расслоения перемешиваемого раствора в анаэробном реакторе. В этом варианте осуществления анаэробный реактор включает в себя одну или более мешалок, расположенных в нижней части реактора, и одну или более мешалок, расположенных в верхней части реактора. Анаэробный реактор действует для формирования первой зоны перемешиваемого раствора в нижней части реактора и второй зоны перемешиваемого раствора в верхней части реактора. Это оставляет промежуточную зону перемешиваемого раствора, в общем, расположенную между верхней и нижней зонами. Твердые вещества, суспендированные в верхней и нижней зонах перемешиваемого раствора, перемешиваются одной или более мешалками, расположенными в соответствующих зонах. В одном варианте осуществления перемешиваемый раствор, содержащийся в промежуточной зоне, является относительно не перемешиваемым или является не перемешиваемым. Перемешиваемый раствор в промежуточной зоне в одном варианте осуществления перекачивают в аппарат мембранного разделения, который разделяет перемешиваемый раствор на проникающий поток и концентратный поток. Одним из вариантов является возврат концентратного потока в анаэробный реактор для дальнейшей обработки.

Другие задачи и преимущества настоящего изобретения станут ясными и очевидными из изучения следующего описания и прилагаемых чертежей, которые являются всего лишь иллюстративными для такого изобретения.

На чертежах изображено:

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение анаэробного мембранного биореактора и способа по настоящему изобретению.

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение, показывающее примерный аппарат мембранного разделения.

С дальнейшей отсылкой к чертежам, в частности, к фиг.1, анаэробный мембранный биореактор (иногда называемый AnMBR) показан там и, в общем, обозначен номером 10. Как подробно обсуждается в настоящем описании, анаэробный мембранный биореактор 10 представляет собой компактную систему очистки, объединяющую процесс анаэробного разложения с процессом мембранного разделения. Система и процесс являются эффективными для обработки потоков отходов, содержащих биоразлагаемые составные части или компоненты, путем разложения этих составных частей и получения биогаза и новой биомассы. Анаэробный мембранный биореактор 10 в основе включает в себя анаэробный реактор 12 и аппарат 14 мембранного разделения. Отходящий поток из анаэробного реактора 12 направляют в аппарат 14 мембранного разделения, который разделяет отходящий поток из анаэробного реактора на проникающий поток и концентратный поток, где концентратный поток является обогащенным твердыми веществами, включая биомассу. Обогащенный концентратный поток рециркулируют обратно в анаэробный реактор и смешивают там с перемешиваемым раствором. Целью рециркуляции является поддерживать относительно большее содержание суспендированных в перемешиваемом растворе твердых веществ (MLSS) внутри реактора 12, чем обычно, и тем самым увеличивать SRT. Обычный диапазон концентрации MLSS внутри анаэробной мембранной биореакторной системы составлял бы 0,1-6% твердых веществ (1000-60000 мг/л в виде TSS).

В осуществлении твердые вещества удаляют из анаэробного реактора 12 путем перекачивания перемешиваемого раствора из нижней зоны в сепаратор твердых веществ, такой как гидроциклон. Сепаратор твердых веществ отделяет более тяжелые твердые вещества, включая осажденные неорганические вещества, образовавшиеся в реакторе, от более легких твердых веществ, включая более высокую концентрацию биомассы. Этот поток биомассы с более высокой концентрацией рециркулируют обратно в анаэробный реактор 12. Концентрат (более тяжелые отделенные твердые вещества) можно подвергнуть дальнейшей обработке, такой как обработка в аппарате обезвоживания. Целью сепаратора твердых веществ является поддержание или регулирование SRT и удаление нарастания более тяжелых твердых неорганических веществ из реактора 12. Следует понимать, что существуют различные пути удаления твердых веществ из реактора 12. Твердые вещества можно удалить напрямую или, как далее описано в настоящем описании более подробно, твердые вещества можно удалить путем направления перемешиваемого раствора из определенной области или зоны реактора 12 в сепаратор твердых веществ, такой как гидроциклон. В других вариантах осуществления твердые вещества можно удалить путем направления части концентратного потока аппарата 14 мембранного разделения в сепаратор твердых веществ, такой как гидроциклон.

Является целесообразным пояснить термин "твердые вещества" в том виде, как он используется в настоящей заявке. Общее содержание твердых веществ (TS) в системе окружающей среды определяют как все составные части, присутствующие в данном образце, а именно в виде растворенных твердых веществ (TDS) и суспендированных твердых веществ (TSS), кроме воды. Частью общего содержания твердых веществ являются биоразлагаемые твердые вещества, как растворимые, так и суспендированные, которые обладают определенным химическим потреблением кислорода (COD), связанным с ними.

Образующим часть анаэробного мембранного биореактора 10 является анаэробный реактор 12. Анаэробный реактор 12 сконструирован для обеспечения механического перемешивания в донной части реактора и механического перемешивания в верхней или высшей части реактора. В предпочтительном варианте осуществления отсутствует механическое перемешивание или присутствует относительно малое перемешивание в промежуточной или средней части анаэробного реактора. В реакторе 12 тяжелые твердые вещества, включая образующиеся более крупные биологические комки и неорганические осажденные твердые вещества, имеют тенденцию осаждаться в донной части реактора и смешиваются там с перемешиваемым раствором путем перемешивания, которое осуществляется в донной части реактора. Другие более легкие или более мелкодисперсные твердые вещества имеют тенденцию всплывать в верхнюю часть реактора, где механическое перемешивание, которое происходит в верхней части реактора, поддерживает эти твердые вещества в суспензии у верха реактора. Это имеет тенденцию к расслаиванию смешиваемого раствора в анаэробном реакторе 12 на три отдельные зоны. То есть, концентрация твердых веществ в промежуточной части реактора является меньшей по сравнению с концентрацией твердых веществ в донной или верхней части реактора.

Ниже по потоку от анаэробного реактора 12 располагается аппарат 14 мембранного разделения. Перемешиваемый раствор перекачивают из промежуточной части или зоны анаэробного реактора 12 в аппарат 14 мембранного разделения. Из-за расслоения перемешиваемого раствора в анаэробном реакторе 12 перемешиваемый раствор, перекачиваемый в аппарат 14 мембранного разделения, включает относительно низкую концентрацию твердых веществ. Когда утверждается, что перемешиваемый раствор в промежуточной части или зоне анаэробного реактора 12 включает относительно низкую концентрацию твердых веществ, имеется в виду, что концентрация твердых веществ в этой части анаэробного реактора является меньшей по отношению к концентрации твердых веществ в донной части анаэробного реактора и самой верхней части реактора. Существуют многочисленные преимущества направления перемешиваемого раствора от промежуточной части или зоны анаэробного реактора 12 в аппарат 14 мембранного разделения. В общем, расслоение, которое происходит в реакторе 12, служит для улучшения общей эффективности системы. Путем расслоения перемешиваемого раствора в реакторе 12 в реакторе поддерживается более высокая концентрация твердых веществ при подаче менее концентрированного потока в аппарат 14 мембранного разделения. Это предотвращает или снижает засорение мембраны и улучшает наибольшие возможные скорости потока через мембрану на единицу используемой мембранной системой энергии, и, в свою очередь, продлевает срок службы мембран, которые составляют аппарат 14 мембранного разделения, путем минимизации количества циклов очистки на месте (CIP). Аппарат 14 мембранного разделения разделяет перемешиваемый раствор на проникающий поток, который является относительно чистым и включает низкую концентрацию COD, BOD и TSS, и концентратный поток, который включает более концентрированные твердые вещества, включая биомассу, которую рециркулируют обратно в анаэробный реактор 12 и смешивают с перемешиваемым раствором в анаэробном реакторе.

Настоящее изобретение также охватывает способ обработки потока, содержащего растворимую и нерастворимую COD в анаэробном мембранном реакторе. В этой связи способ охватывает подачу потока, имеющего растворимую и нерастворимую COD, в емкость анаэробного реактора. После этого способ охватывает взаимодействие растворимой и нерастворимой COD с анаэробной биомассой в анаэробном реакторе для снижения количества растворимой и нерастворимой COD и, в процессе, получения перемешиваемого раствора и биогаза в анаэробном реакторе. В нижней части анаэробного реактора расположены одна или более мешалок для перемешивания относительно тяжелых твердых веществ в перемешиваемом растворе. В одном варианте изобретения также устанавливают одну или более мешалок в верхней части анаэробного реактора для перемешивания относительно легких твердых веществ в перемешиваемом растворе. Это оставляет промежуточную часть или зону анаэробного реактора, где существует относительно низкая концентрация твердых веществ в перемешиваемом растворе. Перемешиваемый раствор перекачивают из промежуточной части анаэробного реактора 12 в аппарат 14 мембранного разделения, где перемешиваемый раствор разделяют на проникающий поток и на концентратный поток, который содержит значительную концентрацию биомассы. По меньшей мере, часть концентратного потока рециркулируют обратно в анаэробный реактор 12. Способ далее включает, в одном варианте осуществления, перекачивание перемешиваемого раствора с относительно тяжелыми твердыми веществами из донной части анаэробного реактора 12 в сепаратор твердых веществ и отделение более тяжелых твердых веществ от более легких твердых веществ, содержащих биомассу. Наконец, по меньшей мере, часть более легких твердых веществ, содержащих биомассу, рециркулируют обратно в анаэробный реактор.

Вышеприведенное обсуждение представляет собой общий обзор анаэробного мембранного биореактора 10 и способа обработки потока отходов. Теперь внимание обращается на отдельные компоненты анаэробного мембранного биореактора 10 и к различные осуществляемые процессы.

Выше по потоку от анаэробного реактора 12 расположена емкость-усреднитель 16. Емкость-усреднитель 16 включает в себя одну или более мешалок 16А. Как показано на фиг.1, поток отходов или поток питающей воды направляют в емкость-усреднитель 16 и перемешивают одной или более мешалками 16А. В соответствии со способом, описанном в настоящем описании, можно обрабатывать различные потоки отходов. В общем, потоки отходов будут включать материал или материю, которая является, по меньшей мере, частично биоразлагаемой при помощи анаэробных бактерий, или биомассу. Примерами потоков отходов, которые можно обрабатывать при помощи системы или способа, раскрытых в настоящем описании, являются: потоки шламов от муниципальных установок очистки сточных вод; потоки шламов от установок обработки промышленной сточной воды; потоки отходов от сельскохозяйственных операций; потоки отходов с высокой концентрацией загрязнений от промышленных операций; и любые другие жидкие потоки сточной воды, которые являются обрабатываемыми биологически в анаэробном реакторе.

Ниже по потоку от емкости-усреднителя 16 расположена емкость смешивания 18. Емкость смешивания 18 включает в себя одну или более мешалок 18А. С емкостью смешивания 18 связаны один или более дозаторов химикатов, в общем обозначаемых числом 20. Дозаторы 20 химикатов функционируют для ввода различных химикатов в емкость смешивания 18, которые затем смешивают с потоком отходов. В емкость смешивания можно вводить различные химикаты в зависимости от состава потока отходов и того, какие условия являются желательными для поддержания в течение процесса, и целей обработки. Например, может являться желательным контролировать рН в течение процесса, и в этом случае в поток отходов можно вводить щелочь, такую как NaOH, и смешивать с ним. Если желательно, можно, например, также вводить другие химикаты, такие как соли железа, необходимые минеральные элементы для оптимального анаэробного производства биогаза. В некоторых вариантах осуществления емкость смешивания 18 может являться необязательной. Здесь химикат или химикаты можно вводить напрямую в линию или трубопровод, через которые проходит поток отходов.

Входящий материал, содержащийся в емкости смешивания 18, направляют в питающий реактор насос 22. Питающий реактор насос 22 перекачивает поток отходов через теплообменник 24. Теплообменник 24 является функционально связанным с источником тепла 26, который подводит к теплообменнику нагревательную среду для нагревания потока отходов, проходящего через теплообменник. В одном варианте осуществления источник тепла 26 представляет собой источник тепла, который является независимым от других процессов, осуществляемых анаэробным мембранным биореактором 10. В одном варианте осуществления проходящее вещество, произведенное системой, можно рециркулировать обратно через теплообменник 24 для подвода тепла для нагревания входящего потока отходов. Далее, как впоследствии описано в настоящем описании, анаэробный реактор 12 вырабатывает биогаз, и биогаз можно использовать в источнике тепла 26 для нагревания среды, направляемой в теплообменник 24.

Из теплообменника 24 поток отходов направляют в анаэробный реактор 12. Анаэробный реактор 12 является закрытой системой, сконструированной для поддержания внутри реактора анаэробных условий. Анаэробный реактор 12 может иметь различные размеры и вместительности.

Поток отходов, вводимый в анаэробный реактор 12, смешивают с существующим в реакторе материалом или материей для образования перемешиваемого раствора. В общем, биоразлагаемые компоненты в потоке отходов реагируют с анаэробной биомассой, включая анаэробные (и факультативные) бактерии и метаногенные археи, и снижают количество биоразлагаемых твердых веществ, содержащихся внутри реактора, и в процессе производят биогаз и дополнительные биологические твердые вещества. Термин "перемешиваемый раствор" в том виде, как он используется в настоящем описании, включает (но не ограничивается этим) смесь органических и неорганических твердых веществ, включая биомассу, биоразлагаемые и небиоразлагаемые отходы, воду и биогаз. Перемешиваемый раствор может находиться внутри реактора или подаваться в реактор в виде рециркуляционного потока от мембранной системы.

Анаэробный реактор 12 является сконструированным для расслоения перемешиваемого раствора. Как видно на фиг.1, более тяжелые твердые вещества занимают одну область в анаэробном реакторе, а мелкодисперсные или легкие твердые вещества занимают другую область в анаэробном реакторе. И в одной области перемешиваемый раствор является относительно свободным от, по меньшей мере, более тяжелых твердых веществ или включает концентрацию твердых веществ, которая является значительно меньшей, чем концентрация твердых веществ, обнаруживаемая в других областях или зонах внутри реактора. Более конкретно, реактор 12 является сконструированным для расслоения твердых веществ следующим образом. Относительно тяжелые и более крупнодисперсные твердые вещества имеют тенденцию осаждаться в донную часть реактора. Относительно более мелкодисперсные или более легкие твердые вещества имеют тенденцию всплывать в верхнюю часть реактора. Это оставляет промежуточную или среднюю часть 40 реактора, которая содержит значительно меньше твердых веществ или, по меньшей мере, включает концентрацию твердых веществ, которая является значительно меньшей, чем концентрация твердых веществ в донной части анаэробного реактора.

В анаэробном реакторе 12 стратегически расположен ряд мешалок. Во-первых, существует одна или более мешалок 30, расположенных в донной или нижней части реактора. Далее, существует одна или более мешалок 32, расположенных в верхней или высшей части реактора 12. Следовательно, понятно, что в одном варианте осуществления отсутствуют мешалки, расположенные в промежуточной или средней области анаэробного реактора. Перемешивание перемешиваемого раствора в нижней и верхней частях реактора 12 улучшает и способствует реакциям между анаэробно расщепляемыми компонентами и анаэробной биомассой. Более того, например, перемешивание в верхней части реактора предотвращает формирование отложений твердых веществ в верхней части реактора 12.

Мешалки 30 и 32 обеспечивают перемешивающее действие, приводящее к тому, что донная и верхняя части анаэробного реактора являются полностью перемешанными. Можно использовать различные типы мешалок. В одном варианте осуществления мешалки представляют собой то, что называют смонтированными на боковых стенках мешалками. Эти мешалки проходят через боковую стенку анаэробного реактора 12, при этом пропеллер или перемешивающая часть мешалок является расположенной во внутренней части реактора 12. Мешалки 30 и 32, в общем, являются расположенными равномерно так, чтобы обеспечивать равномерное перемешивание перемешиваемого раствора в верхней и донной частях реактора. Хотя на чертежах обсуждены и показаны механические мешалки, можно использовать другие типы обычных мешалок для анаэробных реакторов. Например, перемешивания можно достичь путем ввода газа, механических потоков и механических насосов.

Глубина и точное расположение расслоившихся слоев в анаэробном реакторе 12 могут варьироваться. В качестве примера, предположим, что анаэробный реактор 12 имеет в высоту приблизительно 15,24 м (50 футов). В таком случае донные мешалки 30 можно центрировать приблизительно на расстоянии в 0,91 м (3 фута) от днища анаэробного реактора. Верхние мешалки 32 можно центрировать на расстоянии приблизительно в 11,58 м (38 футов) от днища анаэробного реактора. В этом случае на высоте в 6,10-7,62 м (20-25 футов) от днища реактора будет располагаться, по меньшей мере, часть промежуточной или средней зоны 40. Таким образом, в этом примере линия 50, которая подает перемешиваемый раствор из анаэробного реактора 12 в аппарат 14 мембранного разделения, проникала бы в стенку анаэробного реактора 12 в промежуточной точке между 6,10-7,62 м (20-25 футами) от днища анаэробного реактора. В этой точке перемешиваемый раствор, перекачиваемый из анаэробного реактора, будет, вероятно, иметь концентрацию твердых веществ, меньшую, чем перемешиваемый раствор, расположенный на дне реактора.

Расщепление твердых веществ будет производить биогаз. Биогаз, производимый в нижней зоне перемешивания, будет подниматься по длине реактора и обеспечивать плавное перемешивание перемешиваемого раствора в промежуточной зоне с низким сдвигом. Реактор 12 снабжают выпуском биогаза, который может проходить при помощи силы, создаваемой биологическим производством биогаза, или которому можно способствовать при помощи использования вытяжного вентилятора 34 и выпуска биогаза 36. Выпуск биогаза 36 ведет к факелу или может быть направлен в кипятильник, генератор или другое устройство, которое может использовать биогаз для создания полезной энергии.

Как понятно специалистам в данной области техники, анаэробно биоразлагаемый материал, содержащийся в потоке отходов, расщепляется путем реакций в реакторе 12, где анаэробные (и факультативные!) бактерии и метаногенные археи превращают биоразлагаемый материал в биогаз, который, по существу, состоит из метана и диоксида углерода, и других меньших количеств других элементов в газообразном состоянии, таких как сульфид водорода. Эти газообразные компоненты обычно называют в настоящем описании "биогазом". Биогаз может также содержать малые количества водяного пара, аммиака и следов других летучих соединений, которые могут присутствовать в потоке отходов или образовываться во время биоразложения. Получающийся состав биогаза по объемным процентам будет варьироваться в зависимости от конкретных перерабатываемых расщепляемых органических веществ. Предпочтительные уровни метана в биогазе, образовавшемся в реакторе 12, находятся в диапазоне примерно 50 - примерно 90 объемных процентов. Предпочтительные уровни диоксида углерода находятся в диапазоне примерно 5 - примерно 45 процентов (по объему), и уровни сульфида водорода могут варьироваться от примерно 200 ч/млн (объемных) до примерно 3 процентов по объему.

Ниже по потоку от анаэробного реактора 12 находится аппарат 14 мембранного разделения. В частности, перемешиваемый раствор отбирают из промежуточной или средней зоны 40 анаэробного реактора. Это означает, что перемешиваемый, направляемый из анаэробного реактора 12 в аппарат 14 мембранного разделения поток включает концентрацию твердых веществ, меньшую, чем обычно бы обнаруживалась в перемешиваемом растворе, расположенном в донной или верхней части анаэробного реактора 12. Как видно на фиг.1, линия 50 является функционально взаимно связанной между анаэробным реактором 12 и аппаратом 14 мембранного разделения и служит для направления или передачи перемешиваемого раствора из реактора в аппарат мембранного разделения. К линии 50 функционально присоединен питающий мембрану насос 52. Насос 52 перекачивает перемешиваемый раствор из реактора 12 через линию 50 в аппарат мембранного разделения. Питающий мембрану насос обеспечивает исходное давление в аппарат мембранного разделения. В одном варианте осуществления питающий мембрану насос заменяют клапаном регулирования расхода, где при помощи гравитационной силы, создаваемой уровнем жидкости, в реакторе обеспечивается необходимое исходное давление в аппарат мембранного разделения. Аппарат 14 мембранного разделения представляет собой гидравлическую петлю многократной рециркуляции, которая включает в себя мембранные модули, мембранный рециркуляционный насос, называемый насосом 54, и требуемые органы управления эффективностью мембраны. Мембранный рециркуляционный насос 54 перекачивает перемешиваемый раствор в петле с постоянной рециркуляцией вокруг аппарата 14 мембранного разделения для обеспечения достаточной скорости поперечного потока.

По существу, аппарат 14 мембранного разделения фильтрует или разделяет перемешиваемый раствор на два потока: проходящий поток, который направляют от аппарата 14 мембранного разделения через линию проходящего вещества 60, и концентратный поток, который направляют от аппарата мембранного разделения через линию концентрата 62. Отметим, что линия концентрата 62 также представляет собой линию рециркуляции, так как она рециркулирует концентратный поток обратно в линию 50 прямо выше по потоку от питающего мембрану насоса 54. Это дает возможность питающему мембрану насосу 54 непрерывно рециркулировать концентратный поток через аппарат мембранного разделения.

По меньшей мере, часть концентратного потока возвращают в анаэробный реактор 12 и смешивают там с перемешиваемым раствором. Для возвращения части концентратного потока в анаэробный реактор оборудована возвратная линия 64. Следовательно, как отмечено выше, часть концентратного потока отбирают из линии рециркуляции 62 и возвращают при помощи рециркуляционного насоса 66 реактора в анаэробный реактор 12. В одном варианте осуществления насос 66 заменяют клапаном регулирования расхода, и сила, требуемая для возврата перемешиваемого раствора в реактор, обеспечивается питающим мембрану насосом, насосом 52.

Аппарат 14 мембранного разделения удерживает все или по существу все суспендированные твердые вещества, следовательно, все или по существу все суспендированные твердые вещества рециркулируются обратно в анаэробный реактор. Можно использовать различные типы аппаратов 14 мембранного разделения.

Касательно фиг.2, на таковой показано схематическое изображение примерного аппарата 14 мембранного разделения. Специалистам в данной области техники понятно, что можно использовать различные типы обычных аппаратов мембранного фильтрования. На фиг.2 показывается один примерный аппарат мембранного фильтрования, который можно использовать в качестве части анаэробного мембранного биореактора 10. В случае аппарата 14 мембранного фильтрования, показанного на фиг.2, таковой представляет собой систему с небольшой долей расхода среды ввиду того, что мембраны являются расположенными вне анаэробного реактора 12. В примерном аппарате 14 мембранного фильтрования оборудован ряд мембранных модулей 14А поперечного потока. Число мембранных модулей 14А может меняться в зависимости от состава питающей воды и целей обработки. В этом примере мембранные модули 14А являются соединенными последовательно. Каждый мембранный модуль 14А включает в себя удлиненный корпус с трубчатыми мембранами, содержащимися там. Как отмечено выше, мембраны из этого примера являются мембранами трубчатого типа, которые протягиваются продольно через корпус каждого мембранного модуля 14А. Выходящий поток из реактора 12 направляют в отдельные трубчатые мембраны под давлением. По мере того как исходный материал или перемешиваемый раствор из анаэробного реактора 12 проходит через отдельные мембраны, получается проходящее вещество, и проходящее вещество будет поступать наружу в поперечном направлении потока относительно исходного материала. Проходящее вещество в каждом мембранном модуле 14А будет собираться и направляться в выпуск проходящего вещества 14С, оборудованный на каждом мембранном модуле 14А. Концентрат направляют через выпуск концентрата 14В, расположенный на одном конце каждого модуля 14А. Соответствующие выпуски концентрата и впуски концентрата являются взаимно связанными соединяющими линиями 14Е. Это дает возможность концентрату от одного мембранного модуля 14А направляться в другой мембранный модуль 14А ниже по потоку. Таким образом, как видно на фиг.2, соответствующие мембранные модули 14А либо являются одиночными, либо множественными аппаратами, соединенными последовательно так, что концентрат поступает линейно через одиночные или ряд соединенных мембранных модулей 14А.

Концентрат, выходящий из последнего мембранного модуля 14А, направляют в конечную выпускную линию 14F, которая является соединенной с концентратной линией 62, показанной на фиг.1. Это дает возможность концентрату рециркулироваться обратно во впуск аппарата 14 мембранного фильтрования или обратно в реактор 12. В одном варианте осуществления значительное количество концентрата из аппарата 14 мембранного фильтрования рециркулируют обратно во впуск аппарата мембранного фильтрования.

В дополнение, конечная выпускная линия 14F является коммуникационно соединенной с очистной линией 90, которая ведет к аппарату 92 очистки на месте (CIP). Аппарат 92 очистки на месте представляет собой систему или аппарат, который является функционирующим для того, чтобы периодически или время от времени очищать аппарат 14 мембранного фильтрования путем промывки соответствующих мембран, которые составляют аппарат. Можно использовать различные системы очистки мембран. Здесь аппарат 92 очистки на месте является сконструированным для использования концентрата или концентрата из аппарата 14 мембранного фильтрования для промывки и очистки соответствующих мембран аппарата мембранного фильтрования. Подробности аппарата 92 очистки на месте здесь не обсуждаются, поскольку такие системы или аппараты и то, как они эксплуатируются, являются хорошо известными и понятными специалистам в данной области техники.

Анаэробный мембранный биореактор 10 также включает в себя систему и способ удаления твердых веществ из анаэробного реактора 12. Более конкретно, существует способ разделения твердых веществ, который включает в себя сепаратор 74 твердых веществ, такой как гидроциклонный сепаратор. Сепаратор твердых веществ сконструирован для предпочтительного отделения твердых веществ, которые включают относительно большую процентную долю неорганических осажденных веществ, от более легких твердых веществ, которые включают относительно высокую концентрацию биомассы. Как отмечено выше, твердые вещества удаляют из анаэробного реактора 12 с целью поддержания или регулирования SRT. В дополнение, может происходить значительное наслоение тяжелых неорганических твердых веществ внутри анаэробного реактора 12, и эти твердые вещества можно удалить путем направления их из анаэробного реактора в сепаратор твердых веществ. В любом случае, существуют различные пути удаления твердых веществ из анаэробного мембранного биореактора 10. Например, в одном варианте осуществления твердые вещества можно просто сбросить из анаэробного реактора 12 обычным образом. В другом примере твердые вещества можно удалить из концентратного потока, покидающего аппарат мембранного разделения. В этом случае выбранное или контролируемое количество концентратного потока можно направить в сепаратор твердых веществ. В варианте осуществления, проиллюстрированном в настоящем описании, твердые вещества перекачивают из нижней части анаэробного реактора 12 в сепаратор твердых веществ, который в случае проиллюстрированного примера представляет собой гидроциклон 74. В этой связи линия 70 является функционально соединенной с анаэробным реактором 12 и включает в себя насос 72. Линия 70 и насос 72 являются функционально соединенными с сепаратором 74 твердых веществ для направления перемешиваемого раствора, содержащего твердые вещества, в сепаратор твердых веществ. Отметим, что линия 70 является соединенной с реактором 12 так, что перемешиваемый раствор вытягивается из донной части реактора 12. Это, как пояснено выше, представляет собой место, где содержатся более тяжелые твердые вещества. В любом случае, перемешиваемый раствор перекачивают из донной части реактора 12 через линию 70 в сепаратор 74 твердых веществ. Сепаратор 74 твердых веществ производит нижний слив, который включает в себя твердые вещества, которые по природе являются более тяжелыми, и верхний слив, который включает в себя твердые вещества, которые по природе являются более легкими, чем нижний слив. Верхний слив перекачивают или подают через линию верхнего слива 78 обратно в анаэробный реактор 12, где его смешивают там с перемешиваемым раствором. Нижний слив или более тяжелые твердые вещества, произведенные сепаратором твердых веществ или гидроциклоном 74, направляют через линию нижнего слива 76 для дальнейшей обработки. Например, более тяжелые твердые вещества, произведенные в нижнем сливе, можно направить в аппарат обезвоживания для обезвоживания и дальнейшего концентрирования.

Способ удаления твердых веществ, только что описанный в отношении сепаратора 74 твердых веществ, можно эксплуатировать параллельно с аппаратом 14 мембранного разделения. В некоторых случаях способ удаления твердых веществ можно эксплуатировать непрерывно, в то время как аппарат мембранного разделения фильтрует перемешиваемый раствор из реактора 12. В других случаях способ удаления твердых веществ можно эксплуатировать периодически, с целью поддержания выбранного SRT. SRT может меняться в зависимости от обстоятельств и условий. Подразумевается, что SRT для вариантов осуществления, проиллюстрированных и обсужденных в настоящем описании, может варьироваться от приблизительно 15 до приблизительно 80 дней.

Сепаратор 74 твердых веществ не является существенным компонентом настоящего изобретения. Существуют ситуации, когда сепаратор 74 твердых веществ не требуется. Более конкретно, сепаратор 74 твердых веществ и способ удаления твердых веществ из донной части анаэробного реактора являются пригодными, когда входящий поток или поток питающей воды включает в себя значительное количество растворенных твердых веществ, которые осаждаются при прохождении обработки в способе по настоящему изобретению. Некоторые потоки питающей воды не будут включать в себя значительное количество растворенных твердых веществ, которые будут выпадать, и в этих случаях способ разделения твердых веществ с использованием сепаратора 74 твердых веществ может не представлять собой необходимости в способе по настоящему изобретению.

Для более подробного понимания анаэробных реакторов и способа анаэробного расщепления дается отсылка на раскрытия, имеющиеся в публикации США № 2002/0192809 и публикации США № 2008/0302721, раскрытия которых во всей своей полноте являются включенными в настоящее описание посредством ссылки.

Настоящее изобретение, конечно, можно осуществить другими путями, нежели таковыми, конкретно изложенными в настоящем описании, без выхода за пределы существенных характеристик изобретения. Настоящие варианты осуществления следует рассматривать во всех смыслах как иллюстративные и не ограничивающие, и все изменения, подпадающие под диапазоны толкования и эквивалентности прилагаемых пунктов формулы изобретения, имеют целью являться охваченными таковой.

Изобретение относится к анаэробному мембранному биореактору для обработки потоков отходов, содержащих общие биоразлагаемые твердые вещества. Поток отходов, содержащий анаэробно биоразлагаемые компоненты, подают в анаэробный реактор, в котором компоненты реагируют с микроорганизмами для биологического разрушения компонентов и получения биомассы и биогаза. Перемешивание происходит в выбранных частях анаэробного реактора, в особенности нижней и верхней частях реакторах. Относительно тяжелые твердые вещества осаждаются на дне и смешиваются с перемешиваемым раствором, в то время как относительно легкие или мелкодисперсные твердые вещества всплывают в верхней части анаэробного реактора, где они смешиваются с перемешиваемым раствором. Это оставляет промежуточную или среднюю часть анаэробного реактора, где концентрация твердых веществ является относительно меньшей по сравнению с концентрацией твердых веществ в верхней или нижней частях анаэробного реактора. Изобретение обеспечивает максимально возможные скорости потоков через мембрану, предотвращает или снижает засорение и, в свою очередь, продлевает срок службы мембран аппарата мембранного разделения путем минимизации количества циклов очистки. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обработки потока отходов, содержащего анаэробно биоразлагаемые компоненты, в котором осуществляют:
a) подачу потока отходов, содержащих анаэробно биоразлагаемые компоненты, в анаэробный реактор;
b) обеспечивают реакцию биоразлагаемых компонентов с анаэробной биомассой в анаэробном реакторе для снижения количества биоразлагаемых твердых веществ и получения в процессе биогаза и биомассы;
с) расслоение перемешиваемого раствора в анаэробном реакторе путем формирования первой нижней зоны перемешиваемого раствора, причем перемешиваемый раствор в первой нижней зоне перемешиваемого раствора включает относительно высокую концентрацию твердых веществ, и формирования второй зоны перемешиваемого раствора над первой нижней зоной перемешиваемого раствора, причем перемешиваемый раствор во второй зоне включает концентрацию твердых веществ, значительно меньшую, чем концентрация твердых веществ в перемешиваемом растворе в первой нижней зоне перемешиваемого раствора;
d) направление перемешиваемого раствора из второй зоны перемешиваемого раствора в анаэробном реакторе в аппарат мембранного разделения и разделение перемешиваемого раствора на проходящий поток и на концентратный поток, насыщенный биомассой;
е) рециркуляцию, по меньшей мере, части концентратного потока в анаэробный реактор и смешивание концентратного потока с перемешиваемым раствором в реакторе;
f) направление перемешиваемого раствора и твердых веществ из первой нижней зоны перемешиваемого раствора в сепаратор твердых веществ и разделение перемешиваемого раствора и твердых веществ из первой нижней зоны перемешиваемого раствора на поток более тяжелых веществ и на поток более легких веществ, содержащий биомассу; и
g) рециркуляцию, по меньшей мере, части потока более легких твердых веществ, содержащего биомассу, из сепаратора твердых веществ в анаэробный реактор и смешивание потока более легких веществ с перемешиваемым раствором в анаэробном реакторе.

2. Способ по п.1, в котором обеспечивают перемешивание в первой нижней зоне перемешиваемого раствора и смешивание там перемешиваемого раствора и твердых веществ; и поддерживают перемешиваемый раствор во второй зоне в неперемешиваемом состоянии, причем перемешивающее действие во второй зоне является значительно меньшим, чем перемешивающее действие в первой нижней зоне перемешиваемого раствора.

3. Способ по п.1, в котором осуществляют формирование третьей зоны перемешиваемого раствора над второй зоной перемешиваемого раствора; причем и первую и третью зоны перемешиваемого раствора смешивают с относительно тяжелыми твердыми веществами, находящимися в первой зоне перемешиваемого раствора, и с относительно легкими твердыми веществами, находящимися в третьей зоне перемешиваемого раствора.

4. Способ по п.1, в котором сепаратор твердых веществ включает в себя гидроциклон.

5. Способ по п.1, в котором в течение заданных интервалов времени и аппарат мембранного разделения и сепаратор твердых веществ эксплуатируют одновременно, причем существует одно течение перемешиваемого раствора из анаэробного реактора в аппарат мембранного разделения и другое течение перемешиваемого раствора из анаэробного реактора в сепаратор твердых веществ, при этом два течения являются независимыми друг от друга.

6. Способ по п.3, в котором вторя зона перемешиваемого раствора является неперемешиваемой, причем концентрация твердых веществ внутри второй зоны перемешиваемого раствора является меньшей, чем концентрация твердых веществ в первой или третьей зонах перемешиваемого раствора.

7. Способ по п.1, в котором биоразлагаемые компоненты включают в себя биоразлагаемые твердые вещества, причем обеспечивают реакцию биоразлагаемых твердых веществ с анаэробной биомассой в анаэробном реакторе для снижения количества биоразлагаемых твердых веществ.

8. Способ по п.2, в котором расслоение перемешиваемого раствора включает формирование третьей зоны перемешиваемого раствора над второй зоной перемешиваемого раствора, где перемешиваемый раствор в третьей зоне перемешиваемого раствора включает концентрацию твердых веществ большую, чем концентрация твердых веществ во второй зоне перемешиваемого раствора.

9. Способ по п.8, в котором обеспечивают перемешивание в третьей зоне перемешиваемого раствора и смешивание там перемешиваемого раствора и твердых веществ.

10. Способ по п.9, в котором направляют более тяжелые твердые вещества из сепаратора твердых веществ в аппарат обезвоживания, обезвоживающий тяжелые твердые вещества.

11. Способ по п.9, в котором существует одна или более мешалок, расположенных в первой нижней зоне перемешиваемого раствора, и одна или более мешалок, расположенных в третьей зоне перемешиваемого раствора.

12. Способ по п.9, в котором отсутствуют мешалки, расположенные во второй зоне перемешиваемого раствора, при этом концентрация твердых веществ перемешиваемого раствора во второй зоне перемешиваемого раствора является меньшей, чем концентрация твердых веществ в первой и третьей зонах перемешиваемого раствора, так что засорение мембран, образующих часть аппарата мембранного разделения, снижается, ресурсная характеристика мембраны улучшается и срок службы мембраны увеличивается путем минимизации частоты циклов очистки на месте, поддерживая при этом значительную концентрацию летучих суспендированных веществ перемешиваемого раствора внутри реактора.

13. Способ по п.1, в котором поток отходов включает растворимую и нерастворимую COD, при этом обеспечивают реакцию растворимой и нерастворимой COD с анаэробной биомассой в анаэробном реакторе для снижения количества растворимой и нерастворимой COD.

14. Анаэробный мембранный биореактор для анаэробного биоразложения компонентов в потоке отходов, содержащий:
a) анаэробный реактор, имеющий впуск для направления потока отходов, содержащего анаэробно биоразлагаемые компоненты, в анаэробный реактор, приводя к реакции биоразлагаемых компонентов с анаэробной биомассой в реакторе для снижения количества биоразлагаемых компонентов и получения биомассы и биогаза в анаэробном реакторе;
b) одну или более первых мешалок для обеспечения перемешивающего действия в нижней части анаэробного реактора и перемешивания перемешиваемого раствора и относительно тяжелых твердых веществ на дне анаэробного реактора;
с) одну или более вторых мешалок для обеспечения перемешивающего действия в верхней части анаэробного реактора и перемешивания перемешиваемого раствора и относительно легких твердых веществ в верхней части анаэробного реактора так, что перемешиваемый раствор в промежуточной части анаэробного реактора включает относительно более низкую концентрацию твердых веществ и биомассы;
d) первый насос для перекачивания перемешиваемого раствора из промежуточной части анаэробного реактора в аппарат мембранного разделения и разделения перемешиваемого раствора на проникающий поток и концентратный поток, насыщенный биомассой;
e) первую рециркуляционную линию для рециркуляции концентратного потока в анаэробный реактор и смешивания концентратного потока с перемешиваемым раствором в анаэробном реакторе;
f) второй насос для перекачивания перемешиваемого раствора и, по меньшей мере, какого-то количества относительно тяжелых твердых веществ из донной части анаэробного реактора в сепаратор твердых веществ и разделения относительно тяжелых твердых веществ на два потока: первый поток, включающий относительно тяжелые твердые вещества, и второй поток, включающий относительно легкие твердые вещества; и
g) вторую рециркуляционную линию для рециркуляции, по меньшей мере, части второго потока в анаэробный реактор и смешивания второго потока с перемешиваемым раствором в анаэробном реакторе.

15. Анаэробный мембранный биореактор по п.14, в котором анаэробный мембранный реактор эксплуатируют для расслоения перемешиваемого раствора на по меньшей мере три зоны в анаэробном реакторе: нижнюю зону, где перемешиваемый раствор включает относительно тяжелые твердые вещества, верхнюю зону, где перемешиваемый раствор включает относительно легкие твердые вещества, и промежуточную зону в анаэробном реакторе между нижней и верхней зонами, где перемешиваемый раствор включает концентрацию твердых веществ, которая является значительно меньшей, чем концентрация твердых веществ в перемешиваемом растворе в нижней зоне.

16. Анаэробный мембранный биореактор по п.15, включающий линию подачи перемешиваемого раствора для направления перемешиваемого раствора из анаэробного реактора в аппарат мембранного разделения, причем линия перемешиваемого раствора является подключенной к анаэробному реактору так, что перемешиваемый раствор из промежуточной зоны, в противоположность нижней и верхней зонам, перекачивают в линию подачи перемешиваемого раствора и направляют в аппарат мембранного разделения.

17. Анаэробный мембранный биореактор по п.14, также содержащий:
a) линию подачи перемешиваемого раствора, присоединенную между анаэробным биореактором и аппаратом мембранного разделения для направления перемешиваемого раствора из анаэробного реактора в аппарат мембранного разделения;
b) линию подачи перемешиваемого раствора, присоединенную к анаэробному реактору так, что большая часть перемешиваемого раствора, направляемая в аппарат мембранного разделения, поступает из промежуточной части анаэробного реактора;
с) линию подачи перемешиваемого раствора и твердых веществ, функционально связанную между анаэробным реактором и сепаратором твердых веществ; и
d) линию подачи перемешиваемого раствора и твердых веществ, присоединенную к нижней части анаэробного реактора так, что перемешиваемый раствор и твердые вещества, подаваемые в сепаратор твердых веществ, поступают из нижней части анаэробного реактора.